Luego de su regreso a Inglaterra, Darwin leyó el Ensayo sobre el principio de población, de Thomas Robert Malthus, quien sostenía que la población humana aumentaba en forma geométrica mientas que la producción de alimentos lo hacía en forma aritmética. Por ello, la población llegaría a exceder los recursos disponibles. Darwin extendió esta visión a todas las poblaciones y comenzó a pensar que la vida era una lucha continua para obtener recursos, y que sólo una pequeña fracción de los individuos que nacen, sobrevive y se reproduce. Llamó selección natural a este proceso supervivencia, y dedujo que era el mecanismo por el cual las especies sobrevivían o se extinguían. Darwin no usó la expresión "supervivencia del más apto", ni el término de evolución, sino que habló de descendencia con modificación.
Cinco años después de su regreso, comenzó a bosquejar su teoría, tarea que le llevó dos años. En el año 1844 se publicó un libro anónimo cuyo autor sugería que los seres humanos podrían haber evolucionado de ciertos primates inferiores, y dejaba de lado la visión bíblica de su creación en un momento posterior al de todas las demás especies. Como era de esperar, este libro causó gran revuelo e indujo a Darwin a mantener sus ideas en secreto. Pero veinte años más tarde un suceso inesperado lo hizo cambiar de ideas: Alfred Russel Wallace, discípulo de Malthus, le mandó el borrador de un trabajo en el que esbozaba una teoría de la selección natural sorprendentemente parecida a la darwiniana aún sin publicar. Wallace también había viajado por el mundo y, al igual que Darwin, había recorrido las áreas tropicales en las que la variedad de especies es más abundante. Este hecho probablemente contribuyó a que ambos llegaran a las mismas conclusiones.
Para no entrar en una disputa de autoría, ambos naturalistas presentaron juntos la teoría ante la Sociedad Linneana de Londres, pero con el tiempo, Wallace se fue alejando del tema, que progresivamente asociado sólo con Darwin, quien finalmente, en 1859, publicó El origen de las especies, libro que alcanzó un éxito comercial inmediato.
La teoría de la evolución, sin embargo, cosechó diversas críticas y se convirtió en el centro de acaloradas disputas, sobre todo en los países anglosajones en los que predominaban las iglesias protestantes apegadas a la interpretación literal de la Biblia. Una de las críticas al evolucionismo darwiniano fue que el registro fósil no revelaba formas de transición entre las especies, de las que hablaba Darwin. La más célebre e ironizada de esas formas era el "eslabón perdido" entre primates superiores y humanos. Si la evolución creaba continuamente nuevas especies, las formas transicionales debían estar representadas en el registro fósil. Con el tiempo, sin embargo, se advertiría que no hubo eslabón perdido entre los actuales primates y los humanos, porque estos no descienden de aquellos, sino que ambos tienen ancestros comunes extinguidos. Por eso, más que formas transicionales hay formas ancestrales que el registro fósil permitió revelar.
Darwin postuló que los organismos tenían un origen en común.
El origen de las especies sentó las bases para una nueva manera de entender la evolución biológica. Darwin substituyó la noción de predeterminación de la naturaleza por los conceptos de azar y necesidad: en el proceso de reproducción de los organismos se producen variaciones o mutaciones por azar, que se pueden transmitir a la descendencia, pero para cuya supervivencia es necesario que resulten adaptadas a las condiciones ambientales. Esta necesidad explica el proceso de selección natural. De esta manera, los dos pilares en que se apoya la evolución darwiniana son las mutaciones al azar en la constitución genética de los organismos y la selección natural (pero recordemos que en la época de Darwin se desconocían las mutaciones y la constitución genética de los organismos, sino que se hablaba de cambios o alteraciones).
Darwin logró reunir suficiente evidencia para demostrar que las especies cambian, e imaginó un posible proceso de modificación. Su teoría de la evolución de las especies se puede sintetizar en las siguientes ideas:
Según Darwin, este proceso ocurre en forma ramificada y gradual por el mecanismo de:
La teoría de Darwin deriva su fortaleza no sólo de su consistencia lógica y de proporcionar, por el momento, la mejor explicación de los fenómenos que se observan en el mundo natural, sino, principalmente, de los distintos tipos de evidencia en que se apoya. Entre ellos, el registro fósil, la taxonomía, la biogeografía, la embriología comparada, la anatomía comparada y la cría doméstica de animales.